Automação Industrial Parte 4

Automação Industrial

Parte 4

Prof. Ms. Getúlio Teruo Tateoki

Sensore e Atuadores

-A indústria trabalha continuamente para desenvolver produtos com mais velocidade e menor custo. Pela automação de processos, é possível alcançar estes objetivos mantendo altos níveis de qualidade e confiabilidade.

-O uso de sensores e chaves para detecção de posição é fundamental para monitorar, regular e controlar a automação de máquinas envolvidas nos processos de fabricação.

Sensore e Atuadores

-Os sensores geralmente são aplicados para a contagem, verificação de posição e seleção entre dimensões de peças, entre outras aplicações. Desta maneira, é fundamental a escolha correta de um sensor para que a automação de um processo industrial possa funcionar corretamente.

Os sensores para indicação de posição comumente utilizados são chaves de fim de curso, indutivos,

Sensores e Atuadores

-As chaves são componentes eletro-mecânicos usados para ligar, desligar ou direcionar a corrente elétrica, por meio de um acionamento mecânico manual ou automático.

-A entrada da chave é uma força mecânica e a saída uma tensão elétrica. Desta forma, é preciso que uma chave

tenha as seguintes características: •Alta velocidade de comutação;

•Alta confiabilidade;

•Baixa perda na comutação; •Baixo custo.

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-A chave mais comumente utilizada na indústria é a botoeira. Existem dois tipos de chaves botoeira: de impulso e a de trava.

-A botoeira de impulso (push-button) é ativada quando o botão é pressionado e desativada quando o botão é solto, sendo a desativação feita por uma mola interna.

-O botão de trava é ativado quando é pressionado e se mantem ativado quando é liberado. Para desativá-lo é necessário pressioná-lo uma segunda vez.

Sensores e Atuadores

-Dentro das chaves há dois tipos de contatos, sendo normalmente aberto e normalmente fechado.

Contato normalmente aberto (NA): sua posição original é aberta, ou seja, permanece aberto até que seja aplicada uma força externa. Também é frequentemente denominado, na maioria das aplicações industriais, de contato NO

(normally open).

-Contatos de alta capacidade de corrente de comutação são chamados de contatos de carga, de força ou principais. São destinados à aplicação em ramais de motores de carga, em que existem altas intensidades de corrente elétrica.

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Contato normalmente aberto (NA)

Os contatos destinados aos próprios comandos denominam-se auxiliares. Eles suportam baixas intensidades de corrente e não podem se aplicados em circuitos de carga. A sua marcação é feita por dois dígitos. -O primeiro representa o número sequencial do contato e o segundo, o código de função, que no caso dos contatos auxiliares NA são 3 e 4.

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Contato normalmente fechado(NF): sua posição original é fechada, ou seja, permanece fechado até que seja aplicada uma força externa.

-Também é frequentemente denominado, na maioria das aplicações industriais, contato NC (normally closed).

-No caso dos contatos NF, a marcação é feita por dois dígitos. O primeiro representa o número sequencial do contato e o segundo, o código de função, que no caso dos contatos auxiliares NF são 1 e 2.

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Chave com retenção (ou trava): é a mais simples utilizada, também denominada chave toggle. Possui uma haste ou alavanca que se move por um pequeno arco, fazendo os contatos de um circuito se abrirem ou fecharem por um tempo bastante curto. O fato de o contato abrir ou fechar rapidamente extingue o arco voltaico.

-O acionamento da chave liga/desliga é retentivo, ou seja, a chave é ligada por um movimento mecânico e os contatos permanecem na posição alterada até que a chave seja acionada no sentido contrário. Uma vez acionada, o retorno dessa chave à situação anterior somente acontece com um novo acionamento.

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Chaves de contatos múltiplos com ou sem retenção: possuem vários contatos NA e/ou NF agregados.

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-A chave tipo botoeira é usada em controle de motores nos quais ela serve para partir, parar, inverter e acelerar a rotação.

-É usada tipicamente em acionamento de campainha e segurança de motores. Está disponível em várias cores, identificações, formatos, tamanhos e especificações elétricas.

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-As chaves de fim de curso são dispositivos auxiliares de comando e de acionamento que atuam em um circuito com função bastante diversificada, como:

• Comando de contatores;

• Comando de circuitos de sinalização para indicar a posição de um determinado elemento móvel.

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-Estas chaves são basicamente constituídas por uma alavanca ou haste, com ou sem roldanas na extremidade, que transmite o movimento aos contatos que se abrem ou se fecham de acordo com a sua função que pode ser:

Controle: sinaliza os pontos de início ou de parada de um determinado processo.

Segurança: desliga equipamentos quando há abertura de porta ou equipamento e alarme.

Sensores e Atuadores

Sensores e Atuadores

-As chaves fim de curso possuem os seguintes componentes:

Atuador: é a parte da chave que entra em contato com os objetos a serem detectados.

Cabeçote: a cabeça aloja o mecanismo que converte o movimento do atuador em movimento nos contatos. Quando o atuador é movido, o mecanismo opera comutando os contatos.

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Bloco de contatos: aloja os contatos elétricos da chave fim de curso. Geralmente contém dois ou quatro pares de contatos. Existem diferentes tipos de arranjos de contatos disponíveis, sendo os listados a seguir mais comuns:

Bloco terminal: contém os parafusos de fixação. É o local em que as conexões elétricas entre a chave e os circuitos são feitas.

Corpo de chave: aloja os blocos de contato da chave fim de curso.

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-Apesar de haver grande variedade de chaves elétricas, a terminologia utilizada para descrevê-las é padronizada. Se uma chave possui somente um polo, ela é chamada de

chave de único polo (single pole switch). Se ela possui dois polos, chama-se chave duplo polo. A chave pode ter também

três, quatro ou mais polos, quando é chamada de triplo polo e multipolo.

-Se cada contato, alternadamente, abre e fecha somente um circuito, a chave denomina-se único terminal (single throw).

Quando o contato é de dupla ação, ou seja, abre um circuito enquanto fecha outro, a chave é chamada de duplo terminal (double throw)

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SPDT (Single Pole Double Throw): um conjunto de contatos NA e NF. Nesta configuração, quando um contato é aberto o outro se fecha.

SPST (Single Pole Single Throw): relé comum único contato que pode ser normalmente aberto ou normalmente fechado.

DPDT relay (Double-Pole Double-Throw): relé com dois conjuntos de contatos NA e NF que operam simultaneamente por uma simples ação.

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Principais vantagens e desvantagens das chaves fim de curso

Vantagens:

•Operação visível e simples; •Encapsulamento durável;

•Alta robustez para diferentes condições ambientais encontradas na indústria;

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Principais vantagens e desvantagens das chaves fim de curso

Vantagens:

•Ideais para chaveamento de cargas de grande capacidade (5 A em 24Vcc ou 10 A a 120Vca) quando sensores de proximidade típicos podem operar em correntes menores que 1 A;

•Imune à interferência eletromagnética; •Não possuem corrente de fuga

•Mínima queda de tensão.

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Principais vantagens e desvantagens das chaves fim de curso

Desvantagens:

•Vida útil menor dos contatos em comparação com a tecnologia de estado sólido;

•Nem todas as aplicações industriais podem utilizar sensores de contato.

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Aplicações típicas

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Aplicações típicas

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Aplicações típicas

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Critérios de seleção

• O número de polos e terminais;

• A tensão a ser chaveada e a corrente a ser percorrida após o chaveamento;

• A frequência de atenuações;

• As condições ambientes como vibração, temperatura, umidade, agressividade do ambiente;

• O tamanho físico;

• A velocidade de atuação;

• Opcionais, como lâmpada piloto embutida, chave de trava, entre outros.

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-Em muitos pontos de um processo industrial não é possível a colocação de um operador, devido aos fatores técnico, econômico e de periculosidade. Para resolver este problema, existem chaves automáticas, cuja operação é determinada pela posição de algum dispositivo ou pelo valor de alguma grandeza física..

- Desta forma, podem ser construídos arranjos com sistemas mais complexos, com chaves ligadas de um modo intervalado, tal que a operação de uma ou mais chaves dependa da posição das outras individuais. As principais chaves utilizadas na indústria são: pressostato, termostato,

chave de vazão, chave de nível e chave de fim de curso.

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-É definido como uma chave comandada por uma bobina. É considerado uma chave porque ele liga-desliga um circuito elétrico, permitindo a passagem da corrente elétrica como resultado do fechamento de contato ou impedindo a passagem da corrente elétrica durante o estado de contato aberto.

-Ao contrário da chaves vistas anteriormente, o relé não necessita da intervenção humana direta para atuar.

-Uma das principais aplicações é para aumento da capacidade dos contatos ou para multiplicar as funções de chaveamento de dispositivo pela adição de contatos ao circuito.

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-Um relé pode requerer uma corrente da bobina de 5mA em 24Vcc e controlar de um a milhares de watts de potência.

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-Para o acionamento de circuitos de elevada potência por meio de um circuito de baixa potência utiliza-se um relé comumente chamado de contator. Um exemplo típico dessa aplicação é o acionamento de motores elétricos.

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- Partes de um contator:

• Bobina: Pode ser alimentado com CCA ou CC. Tensões variam de 24V a 660V

• Núcleo de ferro • Contato

• Mola

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Simbologia:

-A denominação dos terminais de bobina A1/A2 e dos contatos depende de sua finalidade. Neste caso, temos a numeração 1,2,3,4, 5 e 6 para os contatos de força.

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Simbologia:

-Cada contator é geralmente equipado com três, quatro ou cinco contatos, seja eles de força, auxiliares ou mistos. Os terminais pertencentes ao mesmo elemento de contato devem ser marcados com número de sequência igual e todos os contatos de mesma função devem ter um número diferente de sequencia.

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• Operação remota; • Operação lógica;

• Controle de alta tensão por meio de baixa tensão; • Isolação entre circuito de controle e chaveamento.

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• Ligar e desligar correntes ou tensões em ambientes agressivos, como, por exemplo, processos industriais em que a temperatura pode ser extremamente alta ou baixa e nociva a saúde humana.

• Operar simultaneamente vários circuitos ou equipamentos em altas velocidades de comutação.

• Ligar e desligar equipamentos em sistemas lógicos de intertravamento, pela operação de um equipamento quando algum evento tiver ocorrido.

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• Proteger equipamentos de sobrecarga ou subcarga quando tensão, corrente temperatura, pressão, vazão, nível ou qualquer outra variável do processo varie além dos limites máximos e mínimos estabelecidos, sendo a interligação com os relés feita por meio de chaves automáticas.

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-Para a seleção de relé, diversos fatores precisam ser levados em consideração como: custo, tamanho, velocidade

e energia requerida.

-Devem ser verificados alguns parâmetros mais restritivos, como limitações, desmontagem, contatos selados ou abertos, proteção contra geração de faíscas e contra condições ambientais desfavoráveis.

-Para que os relés sejam aplicados corretamente , as suas funções devem ser claramente entendidas e especificadas para que, se escolhido, possa satisfazer a necessidade requerida pelo circuito.

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-Devem ser definidos os seguintes aspectos: • A carga a ser controlada;

• O tipo de sinal de controle disponível; • A quantidade de contatos necessários;

• As condições do ambiente em que será instalado; • O espaço disponível no painel de relé.

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-Podem ser digitais ou analógicos e verificam a presença de objetivos quando há aproximação da face do sensor. Existem quatro tipo principais de sensores de proximidade:

indutivos, capacitivos, ultrassônicos e ópticos.

-Para a correta especificação e aplicação, é fundamental entender como eles operam e para que aplicação são indicados.

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Classificação dos sensores com relação ao tipo de saída -São classificadas em duas categorias: discretos (também chamados de digitais e analógicos (também conhecidos como proporcionais).

Sensores Digitais fornecem um simples sinal lógico de saída (zero ou um). Por exemplo, um termostato que controla o ar-condicionado de uma casa é um sensor digital. Quando a temperatura dentro de um quarto está abaixo do set point (valor desejado de temperatura) do termostato, sua saída é zero; quando está acima, o termostato comuta e fornece um valor lógico 1 em sua saída.

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Classificação dos sensores com relação ao tipo de saída -Desta forma, o sensor digital não fornece informações sobre o valor corrente que está sendo medido, somente aciona sua saída se o sinal de entrada estivar acima ou abaixo do set point.

-Por exemplo, se o termostato tem o seu setpoint em 70°C e a temperatura estiver abaixo desse valor, como por exemplo, 69°C, 30°C ou -60°C, o sensor continua enviando um sinal 0

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Classificação dos sensores com relação ao tipo de saída -Os sensores analógicos fornecem um sinal analógico de saída que pode ser tensão, corrente, resistência, entre outros. Quando os sensores são usados com CLPs, geralmente são conectados a entradas analógicas do CLP. -Um exemplo de sensor analógico é aquele que mede o nível do fluido de combustível no tanque de automóvel, que é um potenciômetro operado por uma boia. Quando o nível aumenta, há variação de resistência de saída do potenciômetro, sendo o instrumento indicador de nível nada mais que um ohmímetro calibrado para o nível do tanque.

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Classificação dos sensores com relação ao tipo de saída -Medidor de nível de combustível:

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-Estão disponíveis em vários tamanhos e formatos. São baseados no princípio da variação da indutância de uma bobina quando um elemento metálico ou indutivo passa nas suas proximidades.

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-Para entender como os sensores indutivos funcionam, vamos considerar o diagrama de bloco da figura abaixo:

-Montada dentro do sensor, em sua face esquerda, está uma bobina que é parte de um circuito sintonizado de um oscilador. Quando o oscilador está em operação, há um campo magnético alternado, denominado campo do sensor, produzido pela bobina.

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-Este campo magnético irradia através da face do sensor que é não metálica. O circuito oscilador é ajustado de maneira que, quando elementos não metálicos (como o ar) estiverem nas proximidades, o circuito continua a oscilar e a saída do dispositivo fica em nível baixo.

Componentes básicos:

• Bobinas: a bobina e a montagem em núcleo de ferrite geram um campo eletromagnético a partir da energia do gerador.

• Oscilador: fornece a energia necessária para geração do campo magnético nas bobinas.

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Componentes básicos:

• Circuito de disparo: detecta mudanças na amplitude de oscilação. As mudanças ocorrem quando um alvo de metal se aproxima do campo magnético irradiado pelo sensor.

• Circuito de saída: quando uma mudança suficiente no campo magnético é detectada, a saída em estado sólido fornece um sinal a uma interface para um CLP ou máquina. O sinal indica a presença ou ausência de um alvo de metal na distância do sensor.

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-Quando um objeto metálico (aço, ferro, alumínio, etc) chega próximo à face do sensor, o campo magnético alternado induz a circulação de correntes parasitas no material.

-Para o oscilador, estas correntes acarretam perdas de energia. À medida que o alvo se aproxima, as correntes aumenta, fazendo com que a amplitude de saída do oscilador seja reduzida.

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-Até um ponto em que a amplitude do oscilador não seja menor que o valor limiar do circuito de disparo, a saída do sensor permanece em nível baixo. Entretanto, à medida que o objeto se move, as correntes parasitas fazem com que o oscilador pare.

-Quando isso acontece, o circuito de disparo sente a perda da oscilação de saída e causa um chaveamento de saída, fazendo que a saída do sensor fique em nível alto.

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-A distância sensora de um sensor de proximidade é a máxima distância que um alvo pode atingir da face do sensor a fim de este detectá-lo. Um parâmetro que afeta a distância sensora é o tamanho (diâmetro da bobina do sensor).

-Pequenos diâmetros (aproximadamente ¼”) tem distâncias sensora típicas de 1mm, enquanto sensores com grandes diâmetros (aproximadamente 3”) tem distâncias sensoras na ordem de 50mm ou mais.

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Características do sensor em relação ao alvo

-É fundamental compreender que os catálogos dos fabricantes sempre descrevem a distância sensora nominal, considerando um objeto alvo padrão de aço, denominado alvo padrão. Distância sensora é a distância máxima de operação para a qual o sensor é projetado.

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Características do sensor em relação ao alvo

-O alvo padrão é uma plaqueta quadrada de aço doce com 1 mm de espessura e comprimentos dos lados iguais ao diâmetro da face ativa.

-Outros pontos importantes que devem ser observados para determinar o alcance do sensor são o tamanho e a forma do alvo. Desta maneira, alvos planos são preferíveis, pois os arredondados podem diminuir o alcance. Os alvos menores

que a face ativa tipicamente reduzem o alcance e os

maiores que ela podem aumentar o alcance, como películas, folhas e filmes metálicos.

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Características do sensor em relação ao alvo

-É preciso considerar ainda que metais distintos têm valores diferentes de resistividade (que limita as correntes parasitas); assim o tipo de metal afeta a distância sensora. De acordo com o tipo de material utilizado, é necessário um fator de correção da distância sensora, como para:

• Aço doce 1,0;

• Aço inoxidável 0,9; • Alumínio 0,45;

• Bronze 0,50; • Cobre 0,40.

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Sensores Blindados

-Os sensores indutivos podem ser blindados ou não blindados. A construção blindada inclui uma faixa metálica que envolve o conjunto núcleo de ferrite/bobina. Já os sensores não blindados não possuem esta faixa.

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Sensores Blindados

-Para os sensores blindados há um campo magnético direcionado, o que contribui para o aumento da precisão, da direcionalidade e da distância de operação do sensor.

-O alcance dos sensores indutivos é função de seu diâmetro e varia entre sensores blindados e não blindados.

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Formas de conexão dos sensores

-Estão disponíveis em CC ou CA. A maioria requerem três tipos de cabos de conexão: terra, alimentação e saída. Existem outras variedades que requerem dois ou quatro tipos de cabos. A maioria dos sensores está disponível com um LED integrado ao corpo do sensor que indica se ele está acionado.

-Um dos primeiros passos que um projetista deve seguir quando utilizar qualquer sensor de proximidade é consultar o catálogo do fabricante para determinar a melhor escolha para a aplicação.

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Aplicação dos sensores de proximidade indutivos

-Devido ao fato de as peças das máquinas serem geralmente construídas em algum tipo de metal, existe um número enorme de possibilidades de aplicação para sensores indutivos. Eles são relativamente baratos, extremamente confiáveis, operam em uma grande variedade de tensões e podem ser conectados diretamente ao CLP sem componentes externos adicionais. Na maioria dos casos, sensores de proximidade indutivos são excelentes substitutos para as chaves mecânicas (chaves fim de curso).

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Vantagens e desvantagens dos sensores de proximidade indutivos

Vantagens:

• Não são afetados por poeira ou ambientes que contenham sujeira.

• Não são prejudicados pela umidade.

• Não possuem partes móveis nem contatos mecânicos. • Não são dependentes da cor do objeto alvo.

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Vantagens e desvantagens dos sensores de proximidade indutivos

Desvantagens:

• Somente detectam objetos metálicos.

• A distância sensora é menor que em outras tecnologias de sensores de proximidade.

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